熱網(wǎng)補水、定壓系統(tǒng)的設計要求及特點

樊守峰

(西北電力設計院，陜西 西安 710075)

由于熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)一方面在正常運行時存在跑冒滴漏現(xiàn)象、事故時還可能會有大量的熱網(wǎng)循環(huán)水外漏，熱網(wǎng)補水系統(tǒng)可以根據(jù)需求對熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)進行適時、適量地補水；另一方面供熱熱水系統(tǒng)內(nèi)熱媒壓力也必須滿足一定的技術條件方可正常運行，這就要求熱網(wǎng)設計時應配套設計熱網(wǎng)循環(huán)水的定壓系統(tǒng)。本文以熱電廠一級熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)為例，介紹熱網(wǎng)補水及定壓系統(tǒng)的基本設計要求及特點，探討是否可將熱網(wǎng)補水系統(tǒng)和定壓系統(tǒng)合并為一個系統(tǒng)。

1 熱網(wǎng)循環(huán)水補水系統(tǒng)

1.1 熱網(wǎng)循環(huán)水補水系統(tǒng)的功能及設計原理

熱網(wǎng)循環(huán)水補水(以下簡稱熱網(wǎng)補水)系統(tǒng)的功能：由于熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)不嚴密或事故導致熱網(wǎng)循環(huán)水管道破裂，將會引起供熱系統(tǒng)熱媒損失進而引起內(nèi)壓的波動，本系統(tǒng)的功能是根據(jù)需要及時地向熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)補水，使系統(tǒng)的運行壓力得到穩(wěn)定。

熱網(wǎng)補水系統(tǒng)的設計原理：通過實時監(jiān)測熱網(wǎng)循環(huán)水泵入口母管的壓力，判斷是否需要對熱網(wǎng)進行補水。當此處測得的壓力低于補水設定值時，則表明熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)存在對外泄漏現(xiàn)象，此時通過補水系統(tǒng)及時地向熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)補水，使熱網(wǎng)循環(huán)水泵入口母管的壓力恢復到補水設定值。

1.2 熱網(wǎng)補水量的計算

一級熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)一般為閉式循環(huán)系統(tǒng)，依據(jù)《城市熱力網(wǎng)設計規(guī)范》CJJ34-2002 J216-2002，閉式熱力網(wǎng)補水裝置的流量，不應小于供熱系統(tǒng)循環(huán)水流量的2%；事故補水量不應小于供熱系統(tǒng)循環(huán)水流量的4%。

1.3 熱網(wǎng)補水系統(tǒng)的構成

熱網(wǎng)首站常見的補水系統(tǒng)一般包括：一臺大氣式熱力除氧器，2×100%的熱網(wǎng)補水泵(運行方式為一運一備)，系統(tǒng)的基本構成見圖1。

圖1 供熱首站補水系統(tǒng)示意圖

2 熱網(wǎng)循環(huán)水定壓系統(tǒng)

2.1 熱網(wǎng)循環(huán)水定壓系統(tǒng)的功能

由于熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)無論是在正常運行或停運狀態(tài)，熱網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的熱水壓力必須滿足下列基本要求：

(1)熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)的最高運行壓力及設計壓力不應超過各熱用戶相關設備及管道系統(tǒng)所能夠承受的極限壓力。

(2)熱網(wǎng)循環(huán)水回水管內(nèi)壓力折算的靜水柱高度不得小于整個系統(tǒng)包括用戶端的最高充水高度，防止系統(tǒng)倒空，破壞系統(tǒng)的正常運行。

(3)當外供熱水的溫度高于當?shù)卮髿鈮核鶎娘柡蜏囟葧r，熱水管網(wǎng)任何一點的內(nèi)壓都不能低于管網(wǎng)沿線對應點實際運行溫度所對應的汽化壓力，以便防止熱水汽化，產(chǎn)生水擊現(xiàn)象。

(4)熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)任何一點的內(nèi)壓都不應低于當?shù)卮髿鈮海乐刮肟諝鈱е鹿艿栏g。

(5)熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)供、回水母管之間要有足夠的壓差，以保證克服市區(qū)管網(wǎng)、市區(qū)各二級供熱站內(nèi)管道及設備的流動阻力以及由于布置高度的不同所產(chǎn)生的靜壓。

上述第(1)～(4)條是靠熱網(wǎng)定壓系統(tǒng)來實現(xiàn)的，這也就是熱網(wǎng)定壓系統(tǒng)的基本功能。

在熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)的設計階段，為了實現(xiàn)上述基本要求，必須根據(jù)熱網(wǎng)首站、市區(qū)各二級供熱站的實際布置位置及海拔高度，計算出由供熱首站至各二級供熱站之間的管網(wǎng)沿程阻力、外供熱水最高溫度對應飽和壓力、各二級站與熱網(wǎng)首站之間的海拔高差等，然后繪制熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)的水壓圖。

2.2 熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)水壓圖

熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)水壓圖(見圖2)的橫坐標軸表示供熱首站與二級站之間的管道長度，縱坐標軸表示管道沿程各處的運行壓力，水壓圖一般包括靜態(tài)壓力線和動態(tài)壓力線。

(1)靜態(tài)壓力線：當所有熱網(wǎng)循環(huán)水泵停止運行時，熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)內(nèi)的熱水處于靜止狀態(tài)，供、回水母管與各二級供熱站內(nèi)的管道及換熱器相連通，供水管的靜態(tài)壓力線和回水管的靜態(tài)壓力線合并為一條直線，所以熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)的靜態(tài)壓力線是一條水平直線，該靜態(tài)壓力線對應的壓力數(shù)值即為定壓設定值。在確定靜態(tài)壓力線的高度位置時必須滿足以下條件：

①靜態(tài)壓力線的高度不應超過供熱管網(wǎng)所連接的各用戶系統(tǒng)最低層用熱設備和管道所能承受的極限壓力。

②靜態(tài)壓力線的高度不應低于熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)的最高充水高度。

③當外供熱水的溫度高于當?shù)卮髿鈮核鶎娘柡蜏囟葧r，則靜態(tài)壓力線的高度還必須大于其溫度所對應的汽化壓力折算的水柱高度。

(2)動態(tài)壓力線：當熱網(wǎng)循環(huán)水泵運行時，熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)處于動態(tài)運行狀態(tài)，在熱網(wǎng)循環(huán)水泵的作用下，熱網(wǎng)循環(huán)水的供水管線和回水管線內(nèi)的熱水運行壓力不同，因此，供水管線的動態(tài)壓力線和回水管線的動態(tài)壓力線是不同的兩條線，通過二級供熱站內(nèi)的管道及換熱器將上述兩條水壓線連接為一條完整的供回水管線動態(tài)壓力折線(見圖2)。

圖2 一級網(wǎng)水壓圖

2.3 熱網(wǎng)定壓的原理

熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)壓力恒定的點稱為定壓點，從原理上講定壓點可以選擇在熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)的任何一點，但為了管理上的方便，故熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)的定壓點一般設在供熱首站循環(huán)水泵入口母管上，其原理為通過實時監(jiān)測熱網(wǎng)循環(huán)水泵入口母管的壓力，保證熱網(wǎng)循環(huán)水泵入口母管壓力恒定在所確定的定壓設定值上。當循環(huán)水泵入口母管的壓力高于定壓設定值時，可通過裝在泵出口母管上的安全閥(或電磁泄壓閥)向系統(tǒng)外排水，防止引起熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)超壓運行；當循環(huán)水泵入口母管的壓力低于定壓設定值時，通過定壓系統(tǒng)向熱網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)充水，使泵入口母管的壓力恢復到定壓設定值上。

2.4 常見的幾種熱網(wǎng)定壓系統(tǒng)

常見的熱網(wǎng)定壓系統(tǒng)有：高位水箱定壓系統(tǒng)、補給水泵加壓定壓系統(tǒng)及氮氣加壓定壓系統(tǒng)，由于氮氣加壓定壓系統(tǒng)復雜、且增加了一套氮氣系統(tǒng)，故目前較少使用，以下僅介紹高位水箱定壓系統(tǒng)和補給水泵加壓定壓系統(tǒng)

⑴高位水箱定壓系統(tǒng)：

高位水箱定壓是利用安裝在高位處的水箱產(chǎn)生的靜壓頭來將熱網(wǎng)循環(huán)水泵入口母管壓力維持在定壓設定值，見圖3。但這種方式受廠房條件、周圍環(huán)境等的制約，在大型熱電廠供熱首站內(nèi)很少使用。

圖3 高位水箱定壓系統(tǒng)示意圖

⑵世面補給水泵加壓定壓系統(tǒng)：這種定壓方式與圖1的示意圖相似，只不過補水泵的揚程按定壓所需壓力值確定。

3 熱網(wǎng)補水系統(tǒng)及定壓系統(tǒng)合并的可行性

由于供熱首站一級網(wǎng)的補水點和定壓點一般均選擇在熱網(wǎng)循環(huán)水泵的入口母管上，這就為兩個系統(tǒng)的合并提供了便利條件，二者的區(qū)別為補水設定值和定壓設定值在有些情況下可能會不同。因此如果補水設定值和定壓設定值相同，或在熱網(wǎng)補水泵選型時，將補水泵揚程按二者設定值中的較高者來確定，通過一定的控制邏輯完全能夠使兩個系統(tǒng)合二為一。

3.1 補水設定值和定壓設定值的確定

補水設定值的確定：當熱網(wǎng)系統(tǒng)處于正常運行狀態(tài)時，因供熱管網(wǎng)及各二級站內(nèi)的管道及設備的安裝標高及管道長度等均已確定，在一定的熱網(wǎng)水流量下，供熱首站的回水壓力是基本確定的，可將此回水壓力作為補水設定壓力、即補水設定值。

定壓設定值的確定：定壓設定值即為水壓圖上的靜態(tài)壓力線對應的壓力數(shù)值，它與外供熱水最高溫度、供熱首站與市區(qū)各二級供熱站之間的海拔高度、首站及二級站的設備及管道系統(tǒng)所能承受的極限壓力等有關，確定定壓設定值時可按第2.1節(jié)的有關條款綜合考慮后確定。

3.2 補水設定值和定壓設定值相同

當熱網(wǎng)補水設定值和定壓設定值相同時，此時靜態(tài)壓力線位于水壓圖中熱網(wǎng)首站回水點的壓力點上，即圖2中所示的“靜壓線1”的位置，因此，兩個系統(tǒng)完全可以合并為一個系統(tǒng)，合并后的系統(tǒng)既可滿足補水要求，也可滿足定壓要求。

3.3 補水設定值與定壓設定值不同

當熱網(wǎng)補水設定值和定壓設定值不同時，如果定壓設定值(即圖2的“靜壓線2”)高于補水設定值，若將定壓設定值作為補水設定值，則意味著將熱網(wǎng)的動態(tài)壓力線抬高至圖2中所示的虛線位置運行，此時的熱網(wǎng)回水壓力即為定壓設定壓力，這時可按以下兩種情況分別考慮：

(1)如果將定壓設定值作為補水設定值后，不會引起熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)的設計壓力提高一個壓力等級(如不會將系統(tǒng)設計壓力由PN1.6升至PN2.5)，且在市區(qū)各二級供熱站常用設備及管道系統(tǒng)的極限壓力范圍內(nèi)，則可將補水設定值按定壓設定值來選取，兩個系統(tǒng)可以合并為一個系統(tǒng)。

(2)如果將定壓設定值作為補水設定值后，使熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)的設計壓力提高了一個壓力等級，且超過了市區(qū)各二級供熱站常用設備及管道系統(tǒng)的極限壓力范圍，在這種情況下可通過如下的設備選擇及連鎖控制方法實現(xiàn)兩個系統(tǒng)的合并：

①設備選擇要求：將熱網(wǎng)補水泵的揚程按定壓設定值來選擇，同時為熱網(wǎng)補水泵配置變頻調(diào)速裝置，則運行時可通過變頻調(diào)速裝置使熱網(wǎng)補水泵的出口壓力既滿足正常補水時的設定壓力要求，也可滿足熱網(wǎng)定壓所需的設定壓力要求。

②電源配置要求：由于合并后的系統(tǒng)既要能夠滿足熱網(wǎng)正常運行時的補水要求，也要能夠滿足熱網(wǎng)定壓的要求，為了防止一旦失去廠用電而導致全部熱網(wǎng)循環(huán)水泵停運這種情況，故必須為熱網(wǎng)補水泵配置保安電源。

③連鎖控制工況一：當熱網(wǎng)循環(huán)水泵處于正常運行狀態(tài)時，如果熱網(wǎng)循環(huán)水泵入口母管的壓力低于補水設定值，則表明熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)發(fā)生對外泄漏，此時通過熱網(wǎng)補水系統(tǒng)及時地向熱網(wǎng)補水，使熱網(wǎng)循環(huán)水泵入口母管的壓力恢復到補水設定值，從而實現(xiàn)了向系統(tǒng)補水的功能。

④連鎖控制工況二：當首站內(nèi)的所有熱網(wǎng)循環(huán)水泵因突然失電或其他原因而全部突然停運，因熱網(wǎng)補水泵設有保安電源，此時補水泵仍然可運行，且可通過變頻調(diào)速裝置，使熱網(wǎng)補水泵出口壓力迅速升高至定壓設定值，向熱網(wǎng)系統(tǒng)充水，使熱網(wǎng)循環(huán)水泵入口母管壓力維持在定壓設定壓力值，從而實現(xiàn)了熱網(wǎng)系統(tǒng)定壓之目的。

4 結語

通過上述分析可以看出，供熱首站熱網(wǎng)補水系統(tǒng)和定壓系統(tǒng)完全可以合并為一個系統(tǒng)，我們可以暫將此系統(tǒng)稱為熱網(wǎng)補水定壓系統(tǒng)。由于大型熱電廠的供熱首站一般建在熱電廠范圍內(nèi)，故供熱首站一般由電力設計單位進行設計，而市區(qū)管網(wǎng)及各二級熱力站往往由其它設計單位(如市政設計院)來完成。因此，熱電廠的供熱首站設計人員應與市區(qū)管網(wǎng)規(guī)劃及設計單位加強溝通，在展開供熱首站設計工作時，應要求市區(qū)管網(wǎng)規(guī)劃及設計單位提供一級熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)的水壓圖，并一起討論確定合理的熱網(wǎng)定壓設定值。

[1]CJJ34-2002 J216-2002，城市熱力網(wǎng)設計規(guī)范[S].